Mô phỏng và thử nghiệm quá trình hàn vát mép chữ V giữa thép cacbon với thép không gỉ

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH HÀN VÁT MÉP CHỮ V
GIỮA THÉP CACBON VỚI THÉP KHÔNG GỈ
SIMULATION AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF SINGLE-V
GROOVE BUTT WELD BETWEEN CARBON STEEL
AND STAINLESS STEEL
Ngô Hữu Mạnh, Mạc Văn Giang
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 11/8/2017
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/9/2017
Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017

Tóm tắt
Quá trình hàn giáp mối thép cacbon SS 400 với thép không gỉ SUS 304 bằng phương pháp hàn hồ
quang gặp khá nhiều khó khăn. Đây là quá trình hàn hai loại vật liệu khác nhau về thành phần và đặc
tính. Mối hàn yêu cầu không có khuyết tật, tổ chức ổn định, có độ bền cao trong quá trình làm việc.
Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu mô phỏng kết hợp thực nghiệm hàn thép không gỉ SUS
304 với thép cacbon SS 400 bằng quá trình hàn SMAW. Trường nhiệt, ứng suất và biến dạng hàn được
phân tích bằng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm ANSYS. Phương pháp kim tương được sử
dụng để phân tích cấu trúc tế vi kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Đây là cơ sở để thử nghiệm
hàn các loại vật liệu tương tự và ứng dụng vào thực tế sản xuất.
Từ khóa: Hàn thép Austenite; hàn thép khác nhau; hàn thép không gỉ; mô phỏng số.
Abstract
Dissimilar metal welding (DMW) process of single-V groove butt weld between SS 400 carbon steel
and SUS 304 stainless steel is difficultly. This is welding process of dissimilar metal of composition and
characteristic. The weld is require no defoct, stability microstructure and high strength. In this paper,
authors are simulation and experimental analysis of shielded metal arc welding (SMAW) process between
SUS 304 stainless steel and SS 400 carbon steel. The temperature fields, stress and distortion had
been analysed by ANSYS software. Metallography method was used for analysis metal microstructure.
There are data bases to experimental and application in dissimilar metal welding process.

Keywords: Austenite steel welding; dissimilar metal welding; stainless steel welding; numerical simulation.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, việc liên kết hai loại vật liệu khác nhau
bằng phương pháp hàn mặc dù gặp nhiều khó
khăn nhưng con người vẫn thực hiện do yêu cầu
của thực tế sản xuất và đời sống. Quá trình hàn
nối các vật liệu khác nhau nhằm khai thác, sử
dụng tối đa những đặc tính ưu việt của các loại
vật liệu này.

sử dụng đúng vật liệu để phát huy tốt các đặc tính
ưu việt của chúng. Mặt khác giúp tiết kiệm vật liệu
tốt, giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm
sau khi chế tạo. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn ở đây
là liên kết các loại vật liệu khác nhau hoàn toàn
về thành phần và đặc tính này với nhau [6]. Khi
hàn hai loại vật liệu không đồng nhất, trong nhiều
trường hợp, để hàn nối các loại vật liệu này người
ta thường phải sử dụng đến một lớp vật liệu trung

Quá trình hàn thép không gỉ SUS 304 với thép

gian được gọi là lớp đệm [7].

cacbon SS 400 đang được ứng dụng trong nhiều

Kim loại khác nhau là các kim loại khác nhau về

lĩnh vực như nhiệt điện, hóa chất,... Một mặt nhằm

thành phần hóa học, đặc tính, tổ chức tế vi. Quá

36 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
trình hàn các kim loại đồng nhất thường thuận
lợi hơn khi hàn các kim loại khác nhau DMW [1].
Trong quá trình hàn, các nguyên tố hợp kim bị
nóng chảy, hòa tan vào nhau tạo ra liên kim mới
hoặc pha mới hoặc hợp chất mới. Quá trình này
bị ảnh hưởng bởi quy trình hàn, quá trình luyện
kim, tốc độ nguội [2]. Vì vậy, các yếu tố ảnh hưởng
phải được nghiên cứu, phân tích trước khi hàn để
loại bỏ những yếu tố bất lợi và hướng đến nhận
được mối hàn và liên kết hàn tốt nhất.
Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
FEM (finite element method) là giải pháp giúp
phân tích các xu hướng xảy ra trong quá trình
hàn. Đây là cơ sở khoa học để xây dựng quy trình
hàn phù hợp với hơn thực tế và tiết kiệm chi phí
sản xuất. Quá trình mô phỏng trường nhiệt, ứng
suất và biến dạng hàn được thực hiện bằng phần
mềm ANSYS.

Bảng 4. Cơ tính của thép SS 400 [5]
Giới hạn bền

Giới hạn chảy

Độ giãn dài

(MPa)

(MPa)

(%)

400 - 510

225 - 245

23

2.2. Vật liệu hàn
Vật liệu hàn được sử dụng là que hàn hồ quang
tay NC-39L tiêu chuẩn AWS A5.4 E309L-16,
đường kính 3,2 mm của hãng Kobelco (Nhật Bản)
sản xuất.
Bảng 5. Thành phần hóa học của que hàn NC-39L [4]
%C

%Si

%Mn

%S

%P

%Cr

%Ni

0,03

0,6

1,5

0,005

0,02

23,13

12,5

Bảng 6. Cơ tính của của que hàn NC-39L [4]
Giới hạn
bền (MPa)

Giới hạn

Độ giãn

Độ dai va

chảy

dài (%)

đập (V) ở

(MPa)

2. VẬT LIỆU THỬ NGHIỆM

560

2.1. Vật liệu nền
Vật liệu nền gồm thép không gỉ SUS 304 và thép
cacbon SS 400 dạng tấm, chiều dày 12 mm. Bề
mặt của vật hàn được làm sạch và được gia công
vát mép chữ V, góc vát 30o. Khe hở giữa hai
tấm 2,5 - 3 mm, chiều dày phần không vát mép
1,5 - 2,5 mm.

410

0oC (J)
42

67

2.3. Đặc tính của vật liệu
Thép không gỉ SUS 304 có sự khác biệt lớn về cơ
tính và lý tính so với thép SS 400.

Hình 1. Chuẩn bị liên kết hàn

Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SUS 304 [3]
%C

%Si

0,08 0,75

%Mn

%S

2,0

%P

%Cr

0,03 0,045 18-20

Hình 2. Lý tính của thép SS 400 và SUS 304 [8]

%Ni

8,0-10,5

Bảng 2. Cơ tính của thép SUS 304 [3]
Giới hạn bền

Giới hạn chảy

Độ giãn dài

(MPa)

(MPa)

(%)

500 - 525

205 - 215

40

Bảng 3. Thành phần hóa học của thép SS 400 [5]
%C

%Si

%Mn

%S

%P

%Cr

%Ni

0,2

0,050,17

0,40,6

0,035

0,04

<0,3

0,3

Hình 3. Cơ tính của thép SS 400 và SUS 304 [8]
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 37


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Kết quả phân tích thấy rằng, tỉ trọng và độ dẫn
nhiệt của thép SUS 304 với SS 400 có sự chênh
lệch đáng kể. Điều này sẽ gây ảnh hưởng rất lớn
đến quá trình phân bố nhiệt hồ quang khi hàn. Vì
vậy, trong quá trình hàn, nguồn nhiệt hồ quang
hướng sang thép SUS 304 là cần thiết để cân
bằng nguồn nhiệt.

Hình 5. Bắt đầu đường hàn
Hình 4. Quá trình chuyển từ trạng thái từ rắn
sang lỏng của kim loại mối hàn
Quá trình phân tích đường đặc tính nhiệt thấy

rằng, kim loại mối hàn chuyển từ trạng thái rắn
sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ khoảng 1450oC.
Đây là cơ sở để điều tiết nguồn nhiệt lệch về phía
vật liệu SUS 304 trong quá trình hàn. Sự điều tiết
nguồn nhiệt giúp kiểm soát tốc độ chảy của kim
loại và mức độ tham gia của vật liệu cơ bản vào
mối hàn được tốt hơn.
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Mô phỏng quá trình hàn

Hình 6. Nối tiếp đường hàn

Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng quá
trình hàn giáp mối thép cacbon SS 400 với thép
không gỉ SUS 304.
Bảng 7. Bảng thông số chế độ hàn
Chế độ hàn

Ký hiệu

Giá trị

Đường kính que hàn
(mm)

d

3,2

Cường độ dòng hàn

(A)

Ih

100-110

Điện áp hàn (V)

Uh

30-32

Vận tốc hàn
(mm/phút)

Vh

300-350

Ghi chú

DCEP

Các thông số chế độ hàn được xác định trên cơ
sở lý thuyết và được điều chỉnh thông qua quá
trình thực nghiệm. Các điều kiện biên được tác
giả đưa ra gần giống điều kiện hàn thực tế.

Hình 7. Kết thúc đường hàn
Phân tích hình ảnh mô phỏng (từ hình 5 đến

hình 7) thấy rằng, ở từng thời điểm sự phân bố
nhiệt trong kim loại vũng hàn và trên mối hàn là

38 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
khác nhau. Vùng ảnh hưởng nhiệt ở thời điểm bắt
đầu đường hàn nhỏ hơn so với khi hàn đến giữa
đường hàn và cuối đường hàn. Khi nguồn nhiệt
dịch chuyển, ngay sau đó kim loại vũng hàn kết
tinh để hình thành mối hàn.
Sự phân bố nhiệt trong kim loại mối hàn không
đồng đều giữa các vùng. Ở đường hàn thứ nhất,
vùng ảnh hưởng nhiệt là không quá lớn. Ở đường
hàn sau, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn do hồ
quang liên tục cung cấp nhiệt cho vật hàn.
Hình 10. Biến dạng khi hàn lớp thứ hai
Sau khi hàn lớp thứ hai ở trạng thái tự do, mức
độ biến dạng góc do hiện tượng co ngang mối
hàn càng lớn. Do sự tác động của nguồn nhiệt hồ
quang, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn dần theo thời
gian dẫn đến sự biến dạng gia tăng.

Hình 8. Sự phân bố ứng suất hàn
Ở từng thời điểm, sự phân bố nhiệt trong kim loại
mối hàn cũng khác nhau. Do sự chênh lệch về hệ
số dẫn nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt nên khi hàn
thép không gỉ SUS 304 và thép cacbon SS 400
sẽ sinh ra ứng suất dư trong liên kết khi hàn. Đây

là nguyên nhân gây ra biến dạng cho liên kết sau
khi hàn.

Mức độ biến dạng ở các vùng là khác nhau. Ở
vùng kim loại lỏng (vùng mối hàn), mức độ biến
dạng là lớn nhất do sự co ngót của vật liệu khi
nguội. Vì vậy, sau khi hàn, liên kết sẽ có xu hướng
biến dạng theo cả phương dọc và phương ngang
gây ra hiện tượng cong và vênh tấm.
3.2. Quy trình hàn
Trước khi hàn, vật hàn được gia nhiệt 150÷250oC.
Mối hàn được thực hiện ở vị trí hàn bằng. Với chiều
dày 12 mm, mối hàn hoàn thiện bởi ba lớp.
Lớp hàn thứ nhất (lớp đáy) sử dụng phương pháp
dao động que hàn hình răng cưa để đảm bảo
chân mối hàn ngấu hết mép vật hàn, độ lồi chân
mối hàn đảm bảo 1,0÷1,5 mm.

Hình 9. Biến dạng khi hàn lớp thứ nhất

Hình 11. Chân mối hàn

Sau khi hàn lớp thứ nhất ở trạng thái tự do, liên
kết vát mép chữ V bị biến dạng góc do hiện tượng
co ngang mối hàn. Ở giai đoạn đầu, mức độ biến
dạng là không lớn. Về cuối đường hàn, mức độ
biến dạng góc càng lớn do vùng ảnh hưởng nhiệt
tăng lên và sự co ngót của vật liệu càng nhiều.

Lớp phủ chỉ được thực hiện sau khi bề mặt mối

hàn và mép vật hàn của lớp hàn trước đó được
làm sạch để đảm bảo nhận được mối hàn tốt nhất,
dao động que hàn hình răng cưa, biên độ dao
động que hàn được điều chỉnh phù hợp với chiều
rộng của mối hàn.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 39


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
- Tại vùng ảnh hưởng nhiệt giữa tấm thép SUS
304 với mối hàn có cấu trúc tương đối ổn định:
Đường phân giới giữa mối hàn với kim loại nền
SUS 304 là khá rõ nét; không thấy xuất hiện vết
nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại vị trí
kiểm tra.

Hình 12. Bề mặt mối hàn
3.3. Tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh
hưởng nhiệt
Do sử dụng phương pháp hàn nóng chảy nên kim
loại mối hàn là hỗn hợp gồm vật liệu cơ bản và vật
liệu bổ sung từ que hàn. Vì hàn giáp mối hai loại
vật liệu khác nhau hoàn toàn về thành phần và
cơ tính, nếu thép SS 400 tham gia quá nhiều vào
mối hàn sẽ làm giảm cơ tính, khả năng chịu nhiệt
và khả năng chống ăn mòn của kim loại mối hàn.
Mẫu kiểm tra kim tương được cắt ra từ vật hàn.
Sau đó, mẫu thử được mài bóng và tẩm thực màu
để thuận lợi cho quá trình phân tích cấu trúc. Mẫu

thử được quan sát và chụp ảnh bằng thiết bị hiển
vi quang học (OM - Optical Microscopy) với độ
phóng đại từ 50 đến 1000 lần. Kết quả phân tích
ảnh chụp cấu trúc kim loại vùng mối hàn và vùng
ảnh hưởng nhiệt như sau:
- Tại vùng kim loại mối hàn: Kim loại vùng mối hàn
có cấu trúc gồm hai pha Ferrite và Austenite. Cấu
trúc pha tương đối đồng đều, các pha sắp xếp khá
ổn định.

Hình 13. Cấu trúc kim loại mối hàn thép SUS 304
với thép SS 400

Hình 14. Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt
giữa thép SUS 304 với mối hàn
- Tại vùng ảnh hưởng nhiệt giữa tấm thép SS 400
với mối hàn do hai loại thép khác nhau về thành
phần và cơ tính nên quá trình tẩm thực màu ưu
tiên thể hiện cấu trúc của thép SS 400. Từ đường
phân giới với mối hàn về phía tấm thép SS 400
có sự thay đổi rõ rệt về tổ chức kim loại trong
vùng ảnh hưởng nhiệt. Cấu trúc kim loại vùng
ảnh hưởng nhiệt không còn dạng sóng/thớ như
thép SS 400 ban đầu. Thay vào đó, các hạt có cấu
trúc hạt nhỏ; càng xa mối hàn về phía tấm thép
SS 400, mức độ ảnh hưởng của nguồn nhiệt càng
giảm nên kích cỡ hạt càng thô to; không thấy xuất
hiện vết nứt hoặc tách lớp trong vùng phân giới tại
vị trí kiểm tra.

Hình 15. Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt
giữa thép SS 400 với mối hàn

40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
4. KẾT LUẬN
- Quá trình mô phỏng đã xác định được xu thế
biến dạng của kết cấu sau khi hàn nối thép SS 400
với SUS 304. Liên kết bị cong dọc trục mối hàn và
biến dạng góc do co ngang mối hàn.
- Kim loại mối hàn có cấu trúc gồm hai pha Ferrite
và Austenite. Không có hiện tượng tách lớp tại
đường phân giới giữa thép SUS 304 và thép
SS 400 với kim loại mối hàn.
- Hàn nối hai loại vật liệu thép cacbon SS 400 với
thép không gỉ SUS 304 tiết kiệm được chi phí sản
xuất và khai thác được đặc tính ưu việt của từng
loại vật liệu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. E. Taban, E. Deleu, A. Dhooge, E. Kaluc (2008).
Evaluation of Dissimilar Welds between Ferritic
Stainless Steel Modified 12% Cr and Carbon
Steel S355. Supplement to the Welding Journal,
Sponsored by the American Welding Society and
the Welding Research Council.

[2]. AWSwelding handbook (2011). Materials and
Applications, Part 1. Ed. 9th, Volume 4, AWS, USA.

[3]. John E. Bringas (2010). Handbook of comparative
world steel standards. Ed. 3rd, USA.
[4]. Kobe steel (2011). Kobelco welding handbook.
Kobe steel,. LTD, Japan.
[5]. JIS G 3101-2010: Rolled steels for genaral
structure.
[6]. Ngô Hữu Mạnh, Nguyễn Văn Hạng, Nguyễn Đức
Thắng (2017). Nghiên cứu công nghệ hàn thép
không gỉ SUS 304 với thép cacbon SS 400. Tạp
chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, số 56,
trang 23-27.
[7]. Wang
Rui,JianxunZhang,
Serizawa
Hisashi,Murakawa Hidekazu (2009). Study of
welding inherent deformations in thin plates
based on finite element analysis using interactive
substructure method. Materials and Design,
Volume 30, Issue 9, pages 3474-3481.
[8]. Wang Rui, Rashed Sherif, Serizawa Hisashi,
Murakawa Hidekazu, Jianxun Zhang (2008).
Numerical and experimental investigation on
welding deformation. Transactions of JWRI, Vol.
37, No. 1, pp. 79-90.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 41